空間鋼桁架結構卸載施工模擬及監測技術應用研究*

湯東嬰,魏曉斌,孫正華,郭建祥,王若晨

(1.江蘇省建筑工程質量檢測中心有限公司,江蘇 南京 210033;2.江蘇省建筑科學研究院有限公司,江蘇 南京 210008)

0 引言

近幾十年來,隨著我國經濟快速發展和功能需求的提升,城市建設對建筑造型及建筑使用功能的要求逐步提高。大跨度空間結構以其造型獨特、空間跨度大等特點被廣泛應用于會展中心、博物館、體育館等重要大型公共建筑[1-2]。目前,許多國家均已建有大量大跨度空間桁架結構建筑,建筑物跨度、規模也越來越大。然而,大跨空間桁架結構因受力特殊性、結構復雜性、施工難度高等原因[3-5],在施工過程和運行期間易出現受力不均、構件劣化等問題,嚴重時甚至引起結構坍塌等事故,造成生命和財產損失。過去20年里,已有多起鋼結構屋面坍塌事故報道[6-7]。2004年,法國戴高樂機場2E候機樓因溫差反復作用引起結構裂縫對殼體產生沖剪破壞,最終導致屋面彎折破壞。2005年,內蒙古新豐熱電項目主廠房球形網架結構因在未形成結構整體受力的情況下進行交叉施工,致使結構焊縫脆性斷裂,發生連續坍塌。2010年,鄂爾多斯那達慕運動場鋼結構頂棚因溫度驟降導致鋼結構收縮發生坍塌。因此,需采取適當手段保障結構施工及運營期安全。

目前,最行之有效的安全保障手段是通過監測手段獲取結構異常變形及應力信息[8]。通常是通過在結構關鍵受力部位及施工中可能受影響區域布置傳感器或監測點,進而獲取結構在荷載、環境影響等工況下的應力、應變信息,評估其當前健康狀態。羅浩等[9]結合某工程網架施工實例,介紹網架在施工過程中的監測重點,通過三維建模對網架施工過程中可能產生的變形和桿件在不同階段受力情況進行研究,確保網架整體施工質量。劉德斌[10]在星空大講堂工程中采用施工模擬分析技術與現場監測技術結合,確保了卸載施工質量安全。王秀麗等[11]基于ANSYS有限元軟件對西寧某體育館屋蓋卸載施工進行模擬,確定了結構構件應力應變理論范圍并用于指導施工,確保了施工安全。王安琪[12]基于BIM技術研發了一種針對大跨度網架結構的可視化預警系統,通過使用有限元軟件對結構整體進行建模,計算得到結構變形閾值,用于指導實際工程。

以鹽城黃海濕地博物館屋蓋桁架結構為例,考慮實際工程荷載,通過有限元軟件建立施工模型,計算得到結構應力、變形閾值,并綜合運用所布設的應力、位移、溫度等傳感器,獲得施工各階段鋼結構桁架及支撐胎架變形及應力情況,與有限元計算得到的閾值進行對比,指導現場施工,為工程施工提供安全保障。

1 工程概況

鹽城黃海濕地博物館項目位于江蘇省鹽城市范公路以東、大慶路以南、通榆河以西、青年路以北。建筑結構尺寸為220m×48m,最大結構標高為36.850m,桁架最大跨度為220m。該工程主要包括下部鋼框架結構和屋蓋鋼桁架結構,為超過一定規模的危險性較大分部分項工程。屋蓋桁架結構主要由兩端13根格構柱、內部4根支撐柱、7榀主桁架、318榀次桁架和2組X形交叉桁架組成。工程外觀效果如圖1a所示,屋蓋7榀鋼桁架結構如圖1b所示。

圖1 鹽城黃海濕地博物館

2 施工監測方案

2.1 施工流程

博物館為大跨度空間桁架結構,主桁架跨度大、質量大、空間定位難度大、施工過程復雜。施工單位采取分段吊裝(在分段點設置臨時支撐胎架)、高空組合的方法進行;待屋面結構施工完成后,再分區段分次卸載,解除屋蓋與胎架支撐的聯系,形成最終結構體系。卸載過程中,胎架卸載順序遵循北側→南側→跨中逐級卸載。

2.2 監測內容及測點布置

根據屋蓋桁架結構受力特點及施工特點,在桁架上弦桿、下弦桿、腹桿及支撐胎架上布設測點,監測內容包括屋蓋桁架結構應力、變形及格構柱、胎架結構傾角變化。通過對關鍵構件應力、應變及傾角變化的監測,分析結構受力特性和安全狀態。主要監測設備如表1所示。

表1 主要監測設備

2.2.1應力、變形監測點布設

根據屋蓋自身受力特點和施工方案,在桁架跨中及兩端布置應力測點。考慮結構重要部位、應力變化較大位置、主要受力構件等因素,在屋面桁架跨中及兩端上、下層弦桿布設測點。同時,考慮到該工程吊裝方法對空腹桁架空間位置要求高,同時結構體系轉換對結構變形也存在影響,在桁架布置若干變形測點,監測結構變形。變形測點布置在屋蓋大跨跨中、兩側端部等部位。監測點布設區域如圖2所示。

圖2 屋蓋鋼桁架監測點布置

應力采用VW-102型振弦測讀儀和振弦式應變計組成監測系統,振弦式應變計適用于結構表面應變和溫度測量,結合VW-102型振弦測讀儀可直接測量構件應力、應變、溫度等物理參量。

位移監測擬采用焊接小棱鏡、鈦泊片和徠卡TS16 R500全站儀進行測量。

2.2.2傾角監測點布設

傾角監測點布置在格構柱豎桿頂部、支撐胎架頂部撐桿。傾角監測點布置如圖3所示。

圖3 傾角監測點布置

傾角采用雙軸傾角儀監測,是一種高精度模擬電壓雙軸傾角傳感器。通過采集傳感器電壓值即可獲得傾斜角度。

3 卸載施工監測結果及分析

博物館桁架結構拼裝焊接完成后,于6月2日至6月5日進行卸載施工,卸載期間對該工程應力、變形及傾角進行多次測量,并將測量結果與理論計算限值進行比對,分析卸載過程中結構變形規律。

3.1 桁架應力監測分析

提取部分桁架上、下弦桿監測數據,分析桁架結構應力變化情況,應力正值表示受拉,負值表示受壓。屋蓋桁架部分測點應力變化時程曲線如圖4所示(圖中am表示上午,pm表示下午,下同)。由圖4a可知,桁架上弦桿變形主要以受壓為主,最大壓應力為-85.4MPa,出現在第1榀桁架跨中部位測點,且6月3—4日監測壓力值均已超過理論計算限值。由圖4b可知,第1,3榀桁架下弦桿以受拉為主,而第5,6榀桁架下弦桿以受壓為主,且均呈增大趨勢。

圖4 桁架測點應力變化時程曲線

綜合分析可知,卸載初始階段,桁架結構產生明顯應力波動,隨著卸載工序的進行,應力呈現2種趨勢:①應力由增大趨勢變為減小趨勢;②在卸載末期,應力趨向于穩定。此外,對比上弦桿與下弦桿應力變化幅度,可以看出,卸載過程中桁架結構出現應力集中現象。但隨著卸載的完成,被測桿件應力水平趨于平穩,說明桁架結構與初始應力狀態相比,受力體系發生轉變,這種應力變化說明結構在應力重分布中由局部受力轉變為整體受力情況。結構卸載完成后,構件應力水平均小于理論計算限值,處于安全狀態。

3.2 桁架變形監測分析

為保證卸載過程中桁架安全,在卸載過程中,對每榀桁架水平及豎向變形進行監測。變形監測中,初始值變化設定為0,豎向變形負值表示向下變形,正值表示向上變形。桁架結構變形監測結果如圖5所示。

圖5 桁架變形監測結果

由圖5可知,所有桁架均出現不同程度變形。隨著卸載過程進行,所有測點水平變形均呈增大趨勢。在第1階荷載卸載時,桁架豎向變形最大,隨后呈現穩定增長,其中,第2～4榀桁架由于胎架拆除,在6月4日至6月5日出現二次變形。此外,由于部分桁架(如第1榀桁架)在卸載初期,支撐對桁架有1個向上初始應力,使桁架豎向變形出現了1個反彈,隨著卸載過程不斷進行,初始應力得到釋放,沉降數值趨于平穩,所以在卸載初期,由于本身存在一個初應力,使桁架實際豎向變形偏大。因此,在卸載初期與支撐拆除時,應加大對結構的監測頻率。

3.3 格構柱與胎架傾角監測分析

格構柱與胎架在卸載過程中的傾角監測結果如圖6所示。x向為南北向,向南傾斜為正;y向為東西向,向東傾斜為正。由圖6可知,多數構件傾角處于±0.2° 范圍,說明在卸載過程中構件穩定性較好。兩端格構柱傾角測點在卸載過程中均變化不明顯,表明內部支撐柱、兩端格構柱基本處于穩定狀態。由圖6a～6c可知,結構傾斜是一個漸變過程,未出現大的突變。圖6d～圖6g中,部分胎架傾角在監測過程中發生了較大突變,這主要是由于卸載過程中胎架支撐桿件被切割時應力、變形得到釋放,故傾角變化較大。

圖6 桁架格構柱與胎架傾角監測結果

4 施工卸載過程有限元模擬

4.1 模型建立

采用MIDAS VERSION 9.2.6軟件中的施工過程有限元分析功能,對該部分結構進行施工卸載過程模擬。鋼桁架桿系連接均采用空間梁單元進行模擬。材料屬性為Q345鋼材,彈性模量為2.1×105MPa,剪切模量為8.1×104MPa,泊松比為0.3。根據設計圖紙中支撐形式,設置邊界條件約束形式,在臨時支撐點約束其豎向位移,忽略臨時支撐產生的彈性及非彈性位移。有限元計算模型如圖7所示。

圖7 有限元計算模型

4.2 應力監測與有限元計算結果對比

為驗證模型建立的有效性,將實際監測桿件應力與有限元結果進行對比。由計算結果可知,第1榀桁架應力較大,因此選取第1榀桁架監測點與計算值進行對比,桁架兩端為應變監測點,跨中部位為應力、應變監測點(見圖8),現場實測結果與數值模型計算結果對比如圖9所示。

圖8 計算結果

由圖9可知,有限元計算應力為-40～40MPa, 現場監測結果顯示跨中上弦桿應力值超過理論限值,除內力重分布和受力不均勻等原因外,在施工過程中桁架間拼接工藝使桁架彎矩分布存在差異,同時桿件間連接球節點對應力的耗散也有一定促進作用,因此,其最終結果趨向于理論計算值范圍內部。

4.3 應變監測與有限元計算結果對比

工程現場胎架拆除遵循北側→南側→跨中施工順序。在有限元計算中模擬這一施工工序,第1榀桁架應變結果如圖10所示。

圖10 第1榀桁架應變監測結果與有限元計算結果對比

如圖10所示,卸載過程中,第1榀桁架應變實測結果遠小于有限元計算結果。其主要原因是,在有限元計算中有很多假定,如將球節點假定為半剛接,而在實際工程中,節點連接方式遠復雜于理論計算;在模型計算中,邊界約束條件也與實際工程有很大出入,如在桁架兩端,桿件端部除受軸力外還會受彎矩作用。此外,在有限元計算中,忽視了溫度對結構變形的影響。因此,有限元計算值通常偏保守。現場應變監測值遠小于理論值,這也說明理論計算僅能代表一種理想狀態,桁架結構安全施工更重要的是受施工工藝影響。

5 結語

本文對鹽城黃海濕地博物館屋蓋桁架結構施工卸載過程的變形及應力進行了現場監測及有限元計算,結合施工過程中實際情況,得出以下結論。

1)卸載過程中,桁架結構弦桿產生了明顯應力應變響應,上弦桿及下弦桿應力在結構卸載過程中出現不同程度應力波動,說明結構在卸載過程中引起了結構不同程度內力重分布,桁架結構存在受力不均勻現象,隨著卸載完成,被測桿件應力水平趨于平穩,說明桁架結構通過卸載過程完成了受力體系轉變,卸載過程中存在結構卸載完成后構件應力水平均處于理論計算限值范圍內,處于安全狀態。

2)卸載過程中,桁架水平變形均呈增大趨勢。在第1階荷載卸載時,桁架豎向變形最大,隨后呈穩定增長。部分桁架在卸載初期,支撐對桁架有一個向上初始應力,使桁架豎向變形出現了一個反彈,隨著卸載過程不斷進行,初始應力得到釋放,沉降值趨于平穩,在卸載初期,桁架實際豎向變形偏大。因此,在卸載初期與支撐拆除時,應加大對結構的監測頻率。

3)多數格構柱與胎架傾角處于±0.2°范圍,說明在卸載過程中構件穩定性較好。兩端格構柱傾角測點在卸載過程中均變化不明顯,表明內部支撐柱、兩端格構柱基本處于穩定狀態。部分胎架傾角在監測過程中發生了較大突變,這主要是由于卸載過程中胎架支撐桿件被切割時應力、變形得到釋放,故傾角變化較大。

4)采用MIDAS VERSION 9.2.6進行施工卸載模擬,得出應力、應變理論限值,通過應力、應變計算結果與現場實測結果對比,對桁架結構卸載有很好的指導作用。